1 前言

　　對于電容傳感器的測量來說，傳統(tǒng)的電路方式有其無法克服的局限性。復(fù)雜的模擬電路設(shè)計，難以擴展的電容測量范圍，都會給開發(fā)帶來非常大的阻力。

　　德國acam公司專利的PICOCAP®測量原理則給電容測量提供了革命性的突破。在2011年推出了最新的帶有內(nèi)部DSP單片機的單芯片電容測量方案PCAP01, 這個芯片會使電容測量提高到一個前所未有的水平。
 

　　2.概述

　　PCap01為帶有單片機處理單元的一款專門進行電容測量的電容數(shù)字轉(zhuǎn)換單芯片方案。這顆芯片測量范圍覆蓋了從幾fF到幾百nF，而且可以非常簡單的通過配置來滿足各種不同應(yīng)用的需求。PCap01既適合超低功耗最低至幾個uA的測量，也適合高精度達到21位有效位的高性能測量，還可以進行最高達50萬次每秒鐘的快速測量。這顆芯片提供了對于高精度測量,低功耗測量以及快速測量應(yīng)用的的完美結(jié)合。傳感器數(shù)據(jù)可以在芯片內(nèi)部進行現(xiàn)行校準，然后通過SPI或者IIC數(shù)據(jù)串行接口進行傳送。另外，芯片還可以通過IO口來發(fā)送 PWM/PDM 輸出電壓信號。其余的IO口可以作為中斷管腳，水平報警信號管腳或者普通IO口來應(yīng)用。

　　PCap01 有非常小的QFN封裝尺寸，僅需要極少數(shù)量的外部元器件 (至少需要2個外部雙通電容) ，使整個系統(tǒng)的設(shè)計非常緊湊而且降低成本，適合很廣泛的電容測量。

　　3. PICOCAP 測量原理介紹

　　PICOCAP 測量原理展示了對于電容測量的新的革命性的方式。在這個原理中，一個傳感器的電容和一個參考電容被連接到同一個放電電阻，組成了一個Low-pass低通濾波。

　　電容首先被充電到電源電壓，然后通過電阻進行放電。而放電到一個可控制闞值電壓的水平將會被芯片內(nèi)部的非常高精度時間數(shù)字轉(zhuǎn)換器TDC所記錄下來。

　　這個測量過程將會在傳感器和參考電容上重復(fù)交錯進行，應(yīng)用同樣的電阻。計算的結(jié)果是測量的比值結(jié)果，是與電阻和比較器溫度相關(guān)性有關(guān)。傳感器和參考電容數(shù)值的選擇應(yīng)該為統(tǒng)一范圍來降低增益偏移。實踐角度講，對于被測電容沒有大小的限制。傳感器幾乎可以從0fF到幾十nf。PICOCAP同時也支持差動電容傳感器的測量帶有內(nèi)部的線性補償。

　　4. PCAP01芯片主要特點

　　Pcap01芯片為一顆單芯片電容測量方案，猶如下一些特性：

　　一顆芯片可以適合多種應(yīng)用，測量靈活性非常高:

　　a) 低測量功耗，在10Hz最低僅2 µA

　　b) 測量精度最高達 22 位有效位, 4 aF rms 精度

　　c) 測量頻率可以最高達500 kHz

　　非常寬的電容測量范圍, 從幾 fF 到上百nF

　　超低增益和offset漂移

　　18 位高分辨率溫度測量

　　48-位 DSP, 4k byte OTP, 4k byte SRAM

　　內(nèi)部或者外部時鐘振蕩

　　最多可以支持6個IO口

　　IIC, SPI, PWM, PDM 接口

　　寬的電源電壓范圍從2.1 V 到 3.6 V

　　寬操作溫度范圍( -40 ℃ 到 +125℃)

　　QFN32 或者 QFN24 封裝

　　內(nèi)部結(jié)構(gòu)原理圖：

　　Pcap01發(fā)揮了PICOCAP®測量原理的高精度優(yōu)勢，使電容測量達到了一個前所未有的水平。根據(jù)傳感器和參考電容大小不同，以及所選擇的測量模式的不同，我們有如下測量數(shù)據(jù)。這個測量數(shù)據(jù)為典型測量噪聲精度vs.數(shù)據(jù)輸出頻率, 我們的測試是應(yīng)用Pcap01評估系統(tǒng)以及10pF參考電容和1pf的Span加載電容完成。芯片的電壓為 V = 3.0 V：

　　上面表格中可以 看到，我們分別給出了floating漂移模式和Grounded接地模式兩種情況。當(dāng)應(yīng)用漂移模式，完全補償?shù)那闆r下，在5Hz輸出時測量的RMS噪聲為6aF，測量有效位高達20.7位!在選擇不同測量頻率的不同設(shè)置情況下，精度和速度的相對關(guān)系在表格中給出。 當(dāng)然隨基礎(chǔ)電容大小不同，測量的有效分辨率也會有所不同。

　　當(dāng)應(yīng)用補償模式進行高精度測量時，可以使測量有非常低的增益和零點漂移。電容可以連接為接地，漂移模式。而傳感器和參考電容是通過內(nèi)部集成的模擬開關(guān)選擇到放電網(wǎng)路中。另外由于專利的電路和補償算法，內(nèi)部可以補償寄生電容。補償?shù)慕Y(jié)果可以達到在溫度范圍內(nèi)僅0.5 ppm /K 增益偏移。這比絕大多數(shù)傳感器本身內(nèi)部偏移要好得多。傳感器連接的方式：

　　對于電容傳感器的測量，芯片提供了非常靈活的連接方式，對比典型的連接方式如下所示：

　　在芯片中用戶可以自己選擇是用內(nèi)部集成的放電電阻進行電容的測量，還是外接放電電阻來進行測量，連接的方式如下圖所示：

　　導(dǎo)線補償：

　　在電容測量當(dāng)中，導(dǎo)線的寄生電容對于整個測量的影響是不能夠忽略的。尤其當(dāng)導(dǎo)線較長的情況下，導(dǎo)線寄生電容的影響將會對測量結(jié)果有致命的影響。在Pcap01當(dāng)中，可以對傳感器的導(dǎo)線寄生電容進行有效補償：

　　通過上面的傳感器連接的方式，可以補償連接傳感器兩端的導(dǎo)線寄生電容，消除導(dǎo)線對于測量結(jié)果的影響。那么如果想要進行導(dǎo)線補償，3個在漂移模式的測量需要被進行如下：

　　如果對于高穩(wěn)定性高精度的測量，我們推薦連接傳感器為漂移模式，來進行完全補償。當(dāng)然如果導(dǎo)線非常短，而且對于測量性能溫度性能要求并不苛刻的情況下，也可以僅使用內(nèi)部補償，在接地和漂移模式下均可以應(yīng)用：

 溫度測量單元RDC：

　　Pcap01內(nèi)部有一個非常強大的溫度測量單元，用戶可以選擇外接溫度傳感器測量，或者應(yīng)用內(nèi)部集成的鋁電阻作為溫度傳感器電阻。內(nèi)部鋁電阻的溫度系數(shù)為TK ≈ 2800 ppm/K，一般的溫度測量完全可以滿足。當(dāng)然如果對于溫度測量要求較高，則需外接高精度溫度傳感器(如PT1000)來進行測量。

　　應(yīng)用外部溫度傳感器

　　應(yīng)用內(nèi)部溫度傳感器

　　48位功能強大DSP處理單元：

　　芯片內(nèi)部帶有一個48位的信號處理單元，這個處理單元將會處理CDC(電容測量)和RDC(電阻測量)的信息，獲得測量數(shù)據(jù)將結(jié)果給到芯片輸出端口。所獲得的粗值數(shù)據(jù)將會存放在內(nèi)部RAM當(dāng)中，而內(nèi)部有OTP或者SRAM可以用于客戶進行自己程序的編寫。芯片在測量完成后，一定會進入SRAM或者OTP執(zhí)行內(nèi)部程序，最簡單的就是將測量結(jié)果讀出寫入到芯片的。那么還可以在程序當(dāng)中進行非常多的工作，普通單片機的功能都可以在芯片內(nèi)部的DSP處理單元中實現(xiàn)。acam公司為芯片提供不同版本的固件，適合不同種類的應(yīng)用。例如提供了測量溫濕度的固件，當(dāng)您將芯片應(yīng)用于溫濕度測量的時候，可以對于溫度和濕度進行非常方便簡單的校正和補償，內(nèi)部還有集成的計算軟件，更加方便客戶的開發(fā)。

　　壓力固件是另一個針對壓力傳感器應(yīng)用以及其他普通應(yīng)用的集成固件。它帶有高階的多項式逼近的數(shù)學(xué)算法線性補償，還帶有溫度補償算法，這些補償算法除了在壓力傳感器的應(yīng)用當(dāng)中，還可以在其他很多的傳感器應(yīng)用當(dāng)中進行調(diào)用，實現(xiàn)非常簡單。

　　另外還有標準固件，進行普通電容測量，給出結(jié)果，有多個通信接口有效等必要功能。對于DSP，以及內(nèi)部程序編寫更詳細的信息，請參考Pcap01的DSP技術(shù)手冊。您如果對于功能上有任何需求的話，請與acam公司大中國區(qū)總代理世強電訊的技術(shù)支持人員聯(lián)系，將會向您提供比較完整的咨詢，以及合適的內(nèi)部固件程序。

　　5.芯片硬件軟件設(shè)計方案

　　上圖為一個典型的Pcap01硬件設(shè)計方案，適合于普通的電容式傳感器(傳感器未在圖中標出)。輸出的方式為SPI穿行通信方式。可選擇帶有外部溫度傳感器溫度測量，當(dāng)然也可使用內(nèi)部集成溫度測量電阻。整體電路設(shè)計非常簡單，所需元器件數(shù)量非常少。大大降低了整個系統(tǒng)的開發(fā)難度。

　　5.應(yīng)用領(lǐng)域：

　　電容數(shù)字轉(zhuǎn)換器有非常廣泛的應(yīng)用空間，主要應(yīng)用領(lǐng)域如下：

　　溫濕度傳感器 壓力傳感器 液位傳感器

　　位移傳感器 角度傳感器 加速度傳感器 稱重衡器等……..

　　6.結(jié)束語

　　綜上所述，Pcap01單芯片方案將會使您的整體方案設(shè)計更加簡單，電容測量性能更佳優(yōu)越和可靠，革新的單芯片電路以及可以自由選擇的帶有不同補償方式的固件如線性補償以及溫度線性補償方式，不僅僅提升了電路測量的水平，同時也進一步提高了傳感器本身的測量性能。